光无源器件.ppt

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1、光无源器件光无源器件万助军万助军华中科技大学光电学院华中科技大学光电学院2007年年12月月8日日目录目录l光纤通信网中的无源器件光纤通信网中的无源器件l基础知识和单元技术基础知识和单元技术l晶体光学器件晶体光学器件l密集波分复用器密集波分复用器l光纤熔融拉锥器件光纤熔融拉锥器件l光纤光栅光纤光栅l平面光路器件平面光路器件全光通信网的结构全光通信网的结构l光纤通信网中的无源器件光纤通信网中的无源器件涉及子系统：涉及子系统：OXC和和ROADM涉及光无源器件：涉及光无源器件：DWDM（密集波分复用器）和（密集波分复用器）和Splitter（分路器）（分路器）l光纤通信网中的无源器件光纤通信网中的

2、无源器件双向光纤环网中的双向光纤环网中的ROADM节点结构节点结构涉及光无源器件：涉及光无源器件：光开关、光开关、DWDM、VOA（可调光衰减器）、（可调光衰减器）、Coupler（耦合器）。（耦合器）。l光纤通信网中的无源器件光纤通信网中的无源器件双向泵浦的双向泵浦的EDFA结构结构涉及光无源器件：涉及光无源器件：Coupler、WDM（波分复用器）、（波分复用器）、Isolator（光隔离器）、（光隔离器）、DGE（动态（动态增益均衡器）。增益均衡器）。l光纤通信网中的无源器件光纤通信网中的无源器件后向泵浦的光纤拉曼放大器（后向泵浦的光纤拉曼放大器（FRA）结构）结构 涉及光无源器件：涉及

3、光无源器件：Isolator、WDM、PBC（偏振合束器）。（偏振合束器）。l光纤通信网中的无源器件光纤通信网中的无源器件回顾一下前面涉及到的各种光无源器件：回顾一下前面涉及到的各种光无源器件：DWDM：ROADM设备中的两大核心器件之一，实现技术有设备中的两大核心器件之一，实现技术有TFF（介质膜滤波片）、（介质膜滤波片）、FBG（光纤（光纤Bragg光栅）、光栅）、AWG（阵列波导光栅）、（阵列波导光栅）、Interleaver（梳状滤波器），等等；（梳状滤波器），等等；光开关：光开关：ROADM设备中的另一核心器件，可利用光的各种物理效应来实现，如机械光开设备中的另一核心器件，可利用光的

4、各种物理效应来实现，如机械光开关、电光开关、热光开关、磁光开关、声光开关、液晶光开关、关、电光开关、热光开关、磁光开关、声光开关、液晶光开关、MEMS光开关、气泡光开关，光开关、气泡光开关，等等；等等；Coupler：在光纤通信系统中的用量仅次于光纤连接器，实现技术有：在光纤通信系统中的用量仅次于光纤连接器，实现技术有FBT（熔融拉锥）和（熔融拉锥）和PLC；Splitter：FTTH接入网中的核心器件，可以用接入网中的核心器件，可以用PLC技术实现，也可以由许多技术实现，也可以由许多50 50分光比的分光比的Coupler级联而成级联而成；Isolator：分偏振相关型和偏振无关型两种，前者

5、用偏振片和磁光旋光片制作，后者用双折：分偏振相关型和偏振无关型两种，前者用偏振片和磁光旋光片制作，后者用双折射晶体和磁光旋光片制作射晶体和磁光旋光片制作；WDM：波长间隔比：波长间隔比DWDM大的多，如大的多，如EDFA中的中的980nm/1550nm和和1480/1550nm WDM，FRA中的波长间隔约中的波长间隔约100nm的的WDM等，实现技术主要有等，实现技术主要有TFF和和FBT两种；两种；PBC：FRA的增益与泵浦光偏振态相关，用的增益与泵浦光偏振态相关，用PBC将两路偏振正交的泵浦光合成一路以消偏，将两路偏振正交的泵浦光合成一路以消偏，一般用双折射晶体制作；一般用双折射晶体制作

6、；VOA：动态光通信网中应用最广的器件之一，实现技术有机械、：动态光通信网中应用最广的器件之一，实现技术有机械、MEMS、热光，等等。、热光，等等。l光纤通信网中的无源器件光纤通信网中的无源器件在对光无源器件有了一个初步了解之后，我们来对它作一个界定，以区在对光无源器件有了一个初步了解之后，我们来对它作一个界定，以区别于光有源器件。别于光有源器件。光无源器件中不存在电子光子、光子电子、或者光子光子等转换光无源器件中不存在电子光子、光子电子、或者光子光子等转换过程；过程；光有源器件是利用电子光子（如光有源器件是利用电子光子（如LD）、光子电子（如）、光子电子（如PD）、或者）、或者光子光子（如光

7、子光子（如EDFA、FRA）等转换过程来工作；）等转换过程来工作；在一些动态光无源器件如光开关、在一些动态光无源器件如光开关、VOA中，也涉及电子过程，但电子中，也涉及电子过程，但电子仅用于光路的控制，而没有发生以上三种转换过程。仅用于光路的控制，而没有发生以上三种转换过程。光无源器件的种类繁多，而且同一种器件往往有许多实现途径，很难用光无源器件的种类繁多，而且同一种器件往往有许多实现途径，很难用一个统一的标准进行分类。一个统一的标准进行分类。目录目录l光纤通信网中的无源器件光纤通信网中的无源器件l基础知识和单元技术基础知识和单元技术l晶体光学器件晶体光学器件l密集波分复用器密集波分复用器l光

8、纤熔融拉锥器件光纤熔融拉锥器件l光纤光栅光纤光栅l平面光路器件平面光路器件l基础知识和单元技术基础知识和单元技术近轴光线传输矩阵近轴光线传输矩阵高斯光束的传输高斯光束的传输高斯光束的能量耦合高斯光束的能量耦合光纤头的光纤头的8度减反射角度减反射角单光纤准直器单光纤准直器双光纤准直器双光纤准直器Displacer晶体晶体Displacer型型Wedge对对 近轴光线传输矩阵近轴光线传输矩阵近轴光线：近轴光线：光线与光学系统轴线夹角小于光线与光学系统轴线夹角小于5度，可以近似度，可以近似近轴光线参数：近轴光线参数：为了方便的描述光学元件对近轴光线的变换作用，为了方便的描述光学元件对近轴光线的变换作

9、用，采用光线高度采用光线高度r和光线角度和光线角度两个参数描述光线经过光学元件前后两个参数描述光线经过光学元件前后的状态。的状态。参数符号规定：参数符号规定：光线位置轴线以上为正，以下为负；光线角度光线位置轴线以上为正，以下为负；光线角度从轴线沿锐角绕至光线，逆时针为正，顺时针为负。从轴线沿锐角绕至光线，逆时针为正，顺时针为负。传输矩阵：传输矩阵：采用一个采用一个22矩阵描述光学元件对近轴光线的变换作矩阵描述光学元件对近轴光线的变换作用。用。近轴光线参数定义近轴光线参数定义光学光学元件元件近轴光线传输矩阵近轴光线传输矩阵平板玻璃传输矩阵平板玻璃传输矩阵Ln近轴光线传输矩阵近轴光线传输矩阵n1R

10、球面传输矩阵球面传输矩阵近轴光线传输矩阵近轴光线传输矩阵GRINLENSCLENS准直透镜传输矩阵准直透镜传输矩阵高斯光束的传输高斯光束的传输高斯光束的波函数高斯光束的波函数对确定波长，高斯光束的特性由其束腰半径对确定波长，高斯光束的特性由其束腰半径0决定。决定。高斯光束的传输高斯光束的传输2光束发散角：光束发散角：普通准直器：普通准直器：高斯光束的发散角高斯光束的发散角高斯光束的传输高斯光束的传输q参数参数为了描述高斯光束的传播特性，引入为了描述高斯光束的传播特性，引入q参数如下：参数如下：ABCD法则：法则：其中其中ABCD为光学元件的近轴光线传输矩阵。为光学元件的近轴光线传输矩阵。高斯光

11、束传播的高斯光束传播的ABCD法则法则返回返回高斯光束的能量耦合高斯光束的能量耦合高斯光束的耦合失配情况高斯光束的耦合失配情况尾纤为单模光纤的光无源器件，可用高斯光束近似处理，器件的耦合损尾纤为单模光纤的光无源器件，可用高斯光束近似处理，器件的耦合损耗可用高斯光束之间的耦合效率进行分析。耗可用高斯光束之间的耦合效率进行分析。两束高斯光束之间的能量耦合效率，取决于二者的光场叠加比率，可如两束高斯光束之间的能量耦合效率，取决于二者的光场叠加比率，可如下计算：下计算：两高斯光束之间的耦合，存在：径向失配，轴向失配和角向失配。两高斯光束之间的耦合，存在：径向失配，轴向失配和角向失配。高斯光束的能量耦合

12、高斯光束的能量耦合两高斯光束耦合损耗与各种失配量之间的关系两高斯光束耦合损耗与各种失配量之间的关系束腰半径分别为束腰半径分别为200um和和5um，对应一般准直器和光纤的模场半径。，对应一般准直器和光纤的模场半径。束腰半径为束腰半径为200um的光束，对角向失配比较敏感，对径向失配次之，对轴向失配有较大容差；的光束，对角向失配比较敏感，对径向失配次之，对轴向失配有较大容差；束腰半径为束腰半径为5um的光束，对轴向失配比较敏感，对径向失配次之，对角向失配有较大容差。的光束，对轴向失配比较敏感，对径向失配次之，对角向失配有较大容差。光纤头的光纤头的8度减反射角度减反射角光纤头回波损耗与光纤头回波损

13、耗与端面角度的关系端面角度的关系以以SMF-28型光纤为例，型光纤为例，1310nm和和1550nm的模场直径分别为的模场直径分别为9.2um和和10.4um，计算，计算得到两波长的回波损耗与端面角度关系如上图。得到两波长的回波损耗与端面角度关系如上图。当端面角度为当端面角度为8度时，度时，1310nm和和1550nm光的回损分别为光的回损分别为40dB和和36dB，前者约比后，前者约比后者大者大4dB；在端面未镀增透膜情况下，只有约在端面未镀增透膜情况下，只有约4%的光反射回去，增加回损的光反射回去，增加回损14dB，总回损分别，总回损分别为为54dB和和50dB；镀增透膜之后，剩余反射率镀

14、增透膜之后，剩余反射率0.25%，增加回损，增加回损26dB，总回损分别为，总回损分别为66dB和和62dB。选择选择8度斜角基本可以保证回波损耗大于度斜角基本可以保证回波损耗大于60dB单光纤准直器单光纤准直器光束发散角大，随两光纤端面光束发散角大，随两光纤端面间距增加，耦合损耗迅速增大间距增加，耦合损耗迅速增大光纤准直器的结构和参数光纤准直器的结构和参数光纤头准直透镜两准直器的理想耦合情况，束腰重合两准直器的理想耦合情况，束腰重合光束发散角小，损耗对间距不光束发散角小，损耗对间距不敏感，允许插入光学元件敏感，允许插入光学元件点精度，因光纤头点精度，因光纤头8度斜面引起；度斜面引起；Zw工作

15、距离，对应最小耦合损耗的间距；工作距离，对应最小耦合损耗的间距；2t光斑束腰直径。光斑束腰直径。单光纤准直器单光纤准直器单光纤准直器设计单光纤准直器设计I1.确定工作距离确定工作距离Zw2.列出从光纤端面至输出光束束腰位置的近轴光线传输矩阵列出从光纤端面至输出光束束腰位置的近轴光线传输矩阵光纤头与透镜间隙：光纤头与透镜间隙：Grin-Lens：透镜端面至光束束腰：透镜端面至光束束腰：总传输矩阵：总传输矩阵：单光纤准直器单光纤准直器单光纤准直器设计单光纤准直器设计II3.列出输出光束束腰位置的列出输出光束束腰位置的q参数参数光纤端面高斯光束的模场半径为光纤端面高斯光束的模场半径为0且波面曲率半径

16、为且波面曲率半径为R0=，因此光纤，因此光纤端面的端面的q参数为：参数为：输出光束束腰位置的输出光束束腰位置的q参数为：参数为：4.确定光纤头与透镜间距确定光纤头与透镜间距L：5.计算光斑尺寸和点精度计算光斑尺寸和点精度根据确定的间距根据确定的间距L0，可由，可由q3计算光斑尺寸：计算光斑尺寸：点精度可根据各元件的传输矩阵，由光线追迹方法得到，此不赘述。点精度可根据各元件的传输矩阵，由光线追迹方法得到，此不赘述。返回返回单光纤准直器单光纤准直器C-Lens与与Grin-Lens对比对比I工作距离限制工作距离限制对对式式稍作变换，等到一个关于稍作变换，等到一个关于L的一元二次方程，该方程有解（两

17、个解中的一元二次方程，该方程有解（两个解中接近于透镜焦距的解才是我们所需要的）的条件是满足系数条件。接近于透镜焦距的解才是我们所需要的）的条件是满足系数条件。一元二次方程：一元二次方程：系数条件：系数条件：由此得到工作距离限制由此得到工作距离限制Grin-Lens：C-Lens：C-Lens在长工作距离应用中具有优势，在长工作距离应用中具有优势，而而Grin-Lens是是TFF型型DWDM中不可缺少的。中不可缺少的。单光纤准直器单光纤准直器C-Lens与与Grin-Lens对比对比II光斑尺寸光斑尺寸取间距取间距L等于透镜焦距，得到光斑尺寸如下：等于透镜焦距，得到光斑尺寸如下：Grin-Len

18、s：C-Lens：点精度点精度取间距取间距L等于透镜焦距，得到点精度如下：等于透镜焦距，得到点精度如下：Grin-Lens：C-Lens：双光纤准直器双光纤准直器垂直排列垂直排列水平排列水平排列双光纤准直器尾纤排列方式双光纤准直器尾纤排列方式子午面子午面双光纤准直器的交叉角度和交叉长度双光纤准直器的交叉角度和交叉长度反射镜反射镜双光纤准直器双光纤准直器双光纤准直器应用示例双光纤准直器应用示例22光开关光开关双光纤准直器双光纤准直器轴线轴线透镜端面透镜端面子午面子午面双光纤准直器输出光束方向双光纤准直器输出光束方向双光纤准直器输出光偏角由水平偏角双光纤准直器输出光偏角由水平偏角/和和竖直偏角竖直

19、偏角两个分量组成，其中两个分量组成，其中/因光纤因光纤位置离轴产生，位置离轴产生，由端面斜角引起。由端面斜角引起。Grin-Lens：C-Lens：双光纤准直器双光纤准直器渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜ooee 2双光纤准直器与屋脊棱镜的耦合双光纤准直器与屋脊棱镜的耦合双光纤准直器与双光纤准直器与Wedge对的耦合对的耦合在光开关和光环形器等器件中，为了减少准直器数量和缩小体积，常用到双在光开关和光环形器等器件中，为了减少准直器数量和缩小体积，常用到双光纤准直器与屋脊棱镜和光纤准直器与屋脊棱镜和Wedge对的耦合：对的耦合：双光纤准直器与屋脊棱镜和双光纤准直器与屋脊棱镜和Wedge对的耦合对的耦合W

20、edge对，亦称渥拉斯顿棱镜，对，亦称渥拉斯顿棱镜，o光与光与e光夹角如下：光夹角如下：Wedge对角度对角度2必须与双光纤准直器交叉角必须与双光纤准直器交叉角2cross匹配。匹配。Displacer晶体功能示意图晶体功能示意图光轴光轴dO光e光LDisplacer晶体晶体光轴光轴oeoe单轴晶体对正入射光的双折射情况单轴晶体对正入射光的双折射情况Displacer角度：角度：当：当：时，时，对对YVO4晶体，有晶体，有no1.9447，ne2.1486，当，当47.85时，时，max5.7，晶体长度与，晶体长度与e光偏移量的比值为光偏移量的比值为L:d=1:tan(5.7)10:1，这是钒

21、酸钇晶体能够达到的最大偏移比率，这是钒酸钇晶体能够达到的最大偏移比率，此光轴方向是此光轴方向是Displacer晶体中最常用的。晶体中最常用的。第一片晶体的光轴角度同第一片晶体的光轴角度同Displacer晶体，而两片晶体的光轴相互晶体，而两片晶体的光轴相互垂直，类似渥拉斯顿棱镜，我们称之为垂直，类似渥拉斯顿棱镜，我们称之为Displacer型型Wedge对。对。Displacer型型Wedge对的功能是，将一束自然光变换成以一定角度对的功能是，将一束自然光变换成以一定角度汇聚的两束偏振光：汇聚的两束偏振光：光轴光轴光轴光轴Displacer型型Wedge对对n2介于介于no与与ne之间而接近

22、之间而接近ne，可由晶体光学定律详细计算。，可由晶体光学定律详细计算。可应用于光环形器和可应用于光环形器和PBC中中l光纤通信网中的无源器件光纤通信网中的无源器件l基础知识和单元技术基础知识和单元技术l晶体光学器件晶体光学器件l密集波分复用器密集波分复用器l光纤熔融拉锥器件光纤熔融拉锥器件l光纤光栅光纤光栅l平面光路器件平面光路器件目录目录l晶体光学器件晶体光学器件Freespace型光隔离器型光隔离器Displacer型光隔离器型光隔离器Wedge型光隔离器型光隔离器双级光隔离器双级光隔离器光环形器光环形器偏振合束器偏振合束器Freespace型光隔离器型光隔离器4545偏振片1旋光片FR偏

23、振片2磁环Freespace型光隔离器结构与原理型光隔离器结构与原理光隔离器分为光隔离器分为偏振相关型和偏振无关型偏振相关型和偏振无关型两种，前者又称为两种，前者又称为Freespace型型，因两端无光，因两端无光纤输入输出；后者又称为纤输入输出；后者又称为在线型在线型，因两端有光纤输入输出。，因两端有光纤输入输出。Freespace型光隔离器一般用于型光隔离器一般用于LD中，因为中，因为LD发出的光具有极高的线性度，可以采发出的光具有极高的线性度，可以采用这种偏振相关的光隔离器而享有用这种偏振相关的光隔离器而享有低成本的优势低成本的优势；通信线路或者通信线路或者EDFA中一般采用在线型光隔离

24、器，因为线路上的光偏振特性非常不中一般采用在线型光隔离器，因为线路上的光偏振特性非常不稳定，要求器件有较小的偏振相关损耗。稳定，要求器件有较小的偏振相关损耗。Displacer型光隔离器型光隔离器Displacer型光隔离器结构与原理型光隔离器结构与原理正向光路反向光路oeoe4545oeoe4545Displacer1半波片旋光片Displacer2准直器1准直器2半波片与旋光片配对，对正向光偏转半波片与旋光片配对，对正向光偏转90，在两个，在两个Displacer晶体晶体中未发生中未发生o光与光与e光的转换，顺利耦合到准直器光的转换，顺利耦合到准直器2中；中；对反向光未发生偏转，在两个对反

25、向光未发生偏转，在两个Displacer晶体中发生晶体中发生o光与光与e光的偏光的偏转，不能耦合到准直器转，不能耦合到准直器1中，实现反向隔离。中，实现反向隔离。半波片功能半波片功能光轴Wedge型光隔离器型光隔离器eoeooeoe正向光路反向光路OffsetWalkoffWedge型光隔离器结构和光路图型光隔离器结构和光路图磁环旋光片Wedge2光轴方向Wedge1Wedge型光隔离器对正向光相当于一个平行平板，顺利通过；型光隔离器对正向光相当于一个平行平板，顺利通过；对反向光相当于一个渥拉斯顿棱镜，光束偏转，不能返回输入准直器。对反向光相当于一个渥拉斯顿棱镜，光束偏转，不能返回输入准直器。

26、与与Displacer型光隔离器相比：型光隔离器相比：在在o光与光与e光之间引入光之间引入Offset，大约，大约10um；因斜面引入少许因斜面引入少许PDL。Wedge型光隔离器的晶体体积小，因此器件体积小型光隔离器的晶体体积小，因此器件体积小而且成本低，已经取代而且成本低，已经取代Displacer型。型。双级光隔离器双级光隔离器P2122.522.5P11，P22P12双级光隔离器方案一双级光隔离器方案一P11P12P21P22如果晶体光轴方向排列不当，隔离度往往比单级还差。如果晶体光轴方向排列不当，隔离度往往比单级还差。双级光隔离器方案二双级光隔离器方案二单级光隔离器芯调节困难，成品率

27、低。调节困难，成品率低。双级光隔离器双级光隔离器双级光隔离器方案三双级光隔离器方案三P2122.522.5P11，P22P12P11P12P21P22ooooeeeeooooeeee方案一方案三偏振态为偏振态为oeeo和和eooe的两路反向光轨迹示意图的两路反向光轨迹示意图对比方案一与方案三，因排列误差，不能保证对比方案一与方案三，因排列误差，不能保证Wedge片片P12与与P21的光轴严的光轴严格垂直，致使部分反向光的偏振态如下所示：格垂直，致使部分反向光的偏振态如下所示：对方案一，这部分光相当于通过一个平行平板，进入输入准直器，影响对方案一，这部分光相当于通过一个平行平板，进入输入准直器，

28、影响隔离度；隔离度；对方案三，因两级的对方案三，因两级的Wedge角度差异，仍使反向光发生偏转，不能进入角度差异，仍使反向光发生偏转，不能进入输入准直器。输入准直器。光环形器光环形器1231243光环形器的端口功能光环形器的端口功能法拉第旋光片与半波片组成的旋光单元法拉第旋光片与半波片组成的旋光单元正向通过旋光单元的线偏振光，偏振方向旋转正向通过旋光单元的线偏振光，偏振方向旋转9090度；度；反向通过的线偏振光，偏振方向不变。反向通过的线偏振光，偏振方向不变。光环形器光环形器端口端口光路及偏振态变化光路及偏振态变化Displacer1旋光单元1旋光单元2Displacer2Displacer3

29、光环形器光环形器端口端口光路及偏振态变化光路及偏振态变化光环形器中光环形器中Wedge对与双光纤准直器的耦合对与双光纤准直器的耦合双光纤准直器Wedge对单光纤准直器偏振光合束器偏振光合束器普通普通PBC结构结构旋光片光轴光轴反向隔离的反向隔离的PBCl光纤通信网中的无源器件光纤通信网中的无源器件l基础知识和单元技术基础知识和单元技术l晶体光学器件晶体光学器件l密集波分复用器密集波分复用器l光纤熔融拉锥器件光纤熔融拉锥器件l光纤光栅光纤光栅l平面光路器件平面光路器件目录目录l密集波分复用器密集波分复用器TFF型型DWDMInterleaver功能简介功能简介基于双折射晶体的基于双折射晶体的In

30、terleaver基于基于GTI的的Interleaver基于基于PLC技术的技术的InterleaverFIR型型Interleaver设计方法设计方法各种各种Interleaver性能对比性能对比TFF型型DWDMTFF型型DWDM结构结构Filter公共端反射端透射端TFF型型DWDM反射端光路反射端光路子午面透镜轴线Filter右图中右图中是公共端光束方向，是公共端光束方向，是反射端光束方向，是反射端光束方向，是是被被Filter反射后的方向，与反射后的方向，与存在夹角：存在夹角：TFF型型DWDM的结构很简单，此处仅说明选择的结构很简单，此处仅说明选择0.248节距节距Grin-Le

31、ns的原因。的原因。主要取决于竖直偏角主要取决于竖直偏角对对0.23节距的节距的Grin-Lens，0.6，1.2；对对0.25节距的节距的Grin-Lens，0，0。考虑加工误差，某些考虑加工误差，某些Lens长度可能超过长度可能超过0.25节距，致使节距，致使反射端反射端IL调不下来，因此采用调不下来，因此采用0.248节距的节距的Grin-Lens。Interleaver功能简介功能简介Interleaver功能：功能：将一路将一路DWDM信号，按照奇偶波长分成两路，通道间信号，按照奇偶波长分成两路，通道间隔变为两倍，降低对后续滤波器的要求。隔变为两倍，降低对后续滤波器的要求。Inter

32、leaver传输谱线传输谱线基于双折射晶体的基于双折射晶体的Interleaver串联双折射晶体组串联双折射晶体组三级干涉的晶体型三级干涉的晶体型Interleaver结构结构对晶体组输入一个脉冲信号，输出的是对晶体组输入一个脉冲信号，输出的是N+1个等时延的脉冲个等时延的脉冲信号序列，说明晶体组是一个有限冲击响应（信号序列，说明晶体组是一个有限冲击响应（FIR）系统：）系统：对其作傅立叶变换，得到一个频域的傅立叶级数，也就是晶对其作傅立叶变换，得到一个频域的傅立叶级数，也就是晶体组的频谱响应：体组的频谱响应：这个具有这个具有FIR特性的时延晶体组，可以实现任意周期波形的滤波器，级数越多则与目

33、标波形特性的时延晶体组，可以实现任意周期波形的滤波器，级数越多则与目标波形越接近，而选择一组优化的系数越接近，而选择一组优化的系数ak，可以用尽量少的晶体级数得到需要的近似波形。，可以用尽量少的晶体级数得到需要的近似波形。基于双折射晶体的基于双折射晶体的Interleaver时延单元的工艺考虑时延单元的工艺考虑采用双折射晶体的时延单元采用双折射晶体的时延单元采用采用PBS+玻璃的时延单元玻璃的时延单元第一片晶体与第二片晶体温度系数相反，第一片晶体与第二片晶体温度系数相反，实现温度补偿，常用实现温度补偿，常用YVO4与与LiNbO3相互补相互补偿；偿；前两片晶体的前两片晶体的n都比较大，很小的加

34、工误都比较大，很小的加工误差就会引起很大的谱线漂移，光学加工精度差就会引起很大的谱线漂移，光学加工精度难以达到，因此用一片难以达到，因此用一片n很小的双折射晶很小的双折射晶体来补偿加工误差，常用的有石英晶体。体来补偿加工误差，常用的有石英晶体。以以PBS+玻璃代替双折射晶体，可以降玻璃代替双折射晶体，可以降低成本；低成本；采用两片温度系数相反的玻璃，实现采用两片温度系数相反的玻璃，实现温度补偿；温度补偿；玻璃加工成楔形，利于相位微调。玻璃加工成楔形，利于相位微调。基于基于GTI的的Interleaver分光干涉型分光干涉型GTI Interleaver偏振干涉型偏振干涉型GTI Interle

35、averGTI是一个多光束干涉器件，属无限冲击响应（是一个多光束干涉器件，属无限冲击响应（IIR）系统，其反射光是无数等时）系统，其反射光是无数等时延光脉冲的叠加：延光脉冲的叠加：GTI Interleaver的输出频谱，是由两个的输出频谱，是由两个GTI产生的无数谐波项的叠加，产生的无数谐波项的叠加，通过合理的参数设计，可以实现任意周期波形的滤波器。通过合理的参数设计，可以实现任意周期波形的滤波器。对其作傅立叶变换，得到频谱：对其作傅立叶变换，得到频谱：GTI属于无限冲击响应（属于无限冲击响应（IIR）系统，）系统，其相位：其相位：分光干涉型分光干涉型GTI Interleaver的输出：的

36、输出：其中：其中：谱线周期取决于谱线周期取决于L，通带和串扰特性取决于，通带和串扰特性取决于R。基于基于GTI的的Interleaver基于基于PLC技术的技术的Interleaver基于基于PLC技术的技术的Interleaver，(a)IIR型，以微环为时延型，以微环为时延单元；单元；(b)FIR型，格状光路，以延迟线为时延单元型，格状光路，以延迟线为时延单元基于基于PLC技术的技术的Interleaver，分为，分为IIR型和型和FIR型两种，其原理型两种，其原理分别类似前述分别类似前述GTI型和双折射晶体型型和双折射晶体型Interleaver。FIR型型Interleaver设计方法

37、设计方法以基于以基于PLC技术的格状光路型技术的格状光路型Interleaver为例，光路解析为例，光路解析(k=0,1,2,n-1)目标谱线目标谱线传输函数传输函数递归解析公式递归解析公式各种各种Interleaver性能对比性能对比ApproachGTIRetard.crystalsPLC LatticeChannel spacing1(GHz)6.252002520025200Insertion loss(dB)0.71.52.00.5dB pass band(GHz)161011-25dB rejection band(GHz)121614IL ripple(dB)0.30.4N/AP

38、DL(dB)0.20.30.2Frequency centering error(GHz)1.01.02.0Frequency drift over temp.(GHz)2.02.0Temp.controlOperating temp.(degree)-570-570Temp.control1.性能对比以性能对比以50GHz通道间隔的通道间隔的Interleaver为例。为例。基于基于GTI和双折射晶体的和双折射晶体的Interleaver，技术成熟，进入商用；，技术成熟，进入商用；以以PBS+玻璃时延单元代替双折射晶体，具有成本优势，得到广泛应用；玻璃时延单元代替双折射晶体，具有成本优势，得

39、到广泛应用；基于基于PLC技术的技术的FIR型型Interleaver，在单片集成系统中，与，在单片集成系统中，与AWG等器件配等器件配合使用。合使用。l光纤通信网中的无源器件光纤通信网中的无源器件l基础知识和单元技术基础知识和单元技术l晶体光学器件晶体光学器件l密集波分复用器密集波分复用器l光纤熔融拉锥器件光纤熔融拉锥器件l光纤光栅光纤光栅l平面光路器件平面光路器件目录目录l光纤熔融拉锥器件光纤熔融拉锥器件FBT器件基本原理器件基本原理单窗窄带耦合器单窗窄带耦合器单窗宽带耦合器单窗宽带耦合器双窗宽带耦合器双窗宽带耦合器FBT波分复用器波分复用器多模光纤耦合器多模光纤耦合器FBT光衰减器光衰减

40、器FBT器件基本原理器件基本原理光纤熔融拉锥过程光纤熔融拉锥过程扫动拉伸拉伸P0P1P2 假如一段波导中传输多个模式，模式之间的能量交换过程可用模耦合方程来描述：假如一段波导中传输多个模式，模式之间的能量交换过程可用模耦合方程来描述：如果锥区波导直径变化太快，则会激励高阶模式而增加损耗；变化缓慢则不会产生损耗，如果锥区波导直径变化太快，则会激励高阶模式而增加损耗；变化缓慢则不会产生损耗，用用Steward-Love判据描述：判据描述：其中其中为光纤锥区任一位置的纤芯半径，为光纤锥区任一位置的纤芯半径，zb为两个最低阶模式为两个最低阶模式HE11模和模和HE12模之间的拍模之间的拍长，长，为二者

41、的传播常数差。为二者的传播常数差。FBT器件基本原理器件基本原理单光纤融锥区分成三部分单光纤融锥区分成三部分当光纤直径逐渐减小时，归一化截此频率当光纤直径逐渐减小时，归一化截此频率同时减小，纤芯中的模场逐渐扩大；同时减小，纤芯中的模场逐渐扩大；在在P、Q点归一化频率减至单位值点归一化频率减至单位值1，模场，模场不再限制于纤芯中传输，而是转换至包层不再限制于纤芯中传输，而是转换至包层/空空气构成的波导中传输，纤芯作用可忽略；气构成的波导中传输，纤芯作用可忽略；用包层用包层/空气波导近似分析光纤融锥区是空气波导近似分析光纤融锥区是FBT器件器件最重要的理论之一，与实际符合得很好。最重要的理论之一，

42、与实际符合得很好。HE11模单光纤融锥区的单光纤融锥区的HE11模和模和HE12模模HE12模包层包层/空气折射率差远比纤芯空气折射率差远比纤芯/包层折射率差大，包层折射率差大，而且而且B区直径也比纤芯大的多，因此区直径也比纤芯大的多，因此B区为多模区为多模波导；波导；在在B区起点区起点P只有只有HE11模被激励，之后与传播模被激励，之后与传播常数最接近的常数最接近的HE12模发生耦合，在模发生耦合，在Q点只有保点只有保留在留在HE11模中的光能够被重新俘获为纤芯模中的光能够被重新俘获为纤芯/包层包层模式，其他光将成为高阶模式而损耗掉；模式，其他光将成为高阶模式而损耗掉；FBT器件基本原理器件

43、基本原理双光纤融锥区分成三部分双光纤融锥区分成三部分偶模奇模双光纤融锥区的偶模和奇模双光纤融锥区的偶模和奇模与单光纤融锥区类似，双光纤融锥区也可以分成三部分，其中与单光纤融锥区类似，双光纤融锥区也可以分成三部分，其中B区为椭圆形，发生耦合区为椭圆形，发生耦合的是两个模式：奇模和偶模。的是两个模式：奇模和偶模。奇模与偶模相互耦合情况，以及在奇模与偶模相互耦合情况，以及在Q点的叠加情况，决定点的叠加情况，决定被两根光纤重新俘获为纤芯被两根光纤重新俘获为纤芯/包层模式的光能量。包层模式的光能量。FBT器件基本原理器件基本原理光纤融锥区的光纤直径光纤融锥区的光纤直径变化：体积守恒原则变化：体积守恒原则

44、光纤锥区直径：光纤锥区直径：耦合光功率：耦合光功率：其中：其中：当耦合区两根光纤的半径相同时，最大耦合比为当耦合区两根光纤的半径相同时，最大耦合比为1；当两根光纤半径不相同时，最大耦合比小于当两根光纤半径不相同时，最大耦合比小于1。单窗窄带耦合器单窗窄带耦合器耦合比随拉伸耦合比随拉伸长度变化规律长度变化规律1310nm窄带窄带3dB耦耦合器的波长相关性合器的波长相关性在在A点停止拉申点停止拉申耦合比为耦合比为503的带宽的带宽仅为仅为1310nm20nm 1310nm宽带宽带3dB耦耦合器的停火点选择合器的停火点选择单窗宽带耦合器单窗宽带耦合器1310nm宽带宽带3dB耦耦合器的波长相关性合器

45、的波长相关性耦合比满足耦合比满足503的带宽达的带宽达1310nm90nm 在在P点停止拉申点停止拉申双窗宽带耦合器双窗宽带耦合器1310nm/1550nm双窗双窗宽带宽带3dB耦合器的停耦合器的停火点选择火点选择1310nm/1550nm双窗双窗宽带宽带3dB耦合器的波耦合器的波长相关性长相关性在在P点停止拉申点停止拉申耦合比满足耦合比满足503的带宽达的带宽达1310nm40nm和和1550nm40nm FBT波分复用器波分复用器FBT型型WDM的谱线的谱线在在E点停止拉申点停止拉申FBT型型WDM的停火的停火点选择点选择多模光纤耦合器多模光纤耦合器Multimode Coupler多模光

46、纤耦合器的耦合比与拉伸长度关系多模光纤耦合器的耦合比与拉伸长度关系多模光纤耦合机制与单模光纤类似，差异在于有更多模式参与耦合；多模光纤耦合机制与单模光纤类似，差异在于有更多模式参与耦合；起初耦合比随拉伸长度近似线性增加，达到起初耦合比随拉伸长度近似线性增加，达到50时便不再增加，而是稳定在时便不再增加，而是稳定在50附近，稍有起伏；原因是大量模式参与耦合，而其耦合拍长各不相同，某附近，稍有起伏；原因是大量模式参与耦合，而其耦合拍长各不相同，某些模式的耦合比增加，而同时另一些模式的耦合比减少，大量模式耦合比的统些模式的耦合比增加，而同时另一些模式的耦合比减少，大量模式耦合比的统计结果，使总耦合比

47、稳定在计结果，使总耦合比稳定在50附近；附近；多模光纤耦合器表现出很好的带宽特性，在多模光纤耦合器表现出很好的带宽特性，在8001700nm共共900nm带宽内，带宽内，耦合比满足耦合比满足505，其原因是大量模式耦合比的统计特性抵消了单个模式耦，其原因是大量模式耦合比的统计特性抵消了单个模式耦合比的波长相关性。合比的波长相关性。FBT光衰减器光衰减器单光纤融锥区单光纤融锥区将单光纤作拉锥处理，是固定光衰减器的解决方案之一。将单光纤作拉锥处理，是固定光衰减器的解决方案之一。入射光在入射光在B区激励起区激励起HE11和和HE12两个模式，二者发生相互两个模式，二者发生相互耦合，在耦合，在Q点只有

48、点只有HE11模携带的能量能够被重新俘获为纤模携带的能量能够被重新俘获为纤芯芯/包层模式，其他光将成为高阶模式而损耗掉，达到衰减包层模式，其他光将成为高阶模式而损耗掉，达到衰减目的。目的。l光纤通信网中的无源器件光纤通信网中的无源器件l基础知识和单元技术基础知识和单元技术l晶体光学器件晶体光学器件l密集波分复用器密集波分复用器l光纤熔融拉锥器件光纤熔融拉锥器件l光纤光栅光纤光栅l平面光路器件平面光路器件目录目录l光纤光栅光纤光栅光纤光栅基本原理光纤光栅基本原理光纤光栅制作技术光纤光栅制作技术各种光纤光栅特性各种光纤光栅特性光纤光栅基本原理光纤光栅基本原理光纤光栅沿轴向形成一定的折射光纤光栅沿轴

49、向形成一定的折射率分布，相当于许多连续的反射率分布，相当于许多连续的反射面，其功能类似于多层介质膜滤面，其功能类似于多层介质膜滤波片。波片。折射率分布轮廓折射率分布轮廓 和啁啾相位和啁啾相位 取不同情况时，可以得到如图所取不同情况时，可以得到如图所示的均匀、高斯切趾、升余弦切示的均匀、高斯切趾、升余弦切趾、啁啾、相移和取样分布光纤趾、啁啾、相移和取样分布光纤光栅。光栅。光纤光栅的折射率分布光纤光栅的折射率分布光纤光栅基本原理光纤光栅基本原理普通衍射光栅原理普通衍射光栅原理 普通衍射光栅方程：普通衍射光栅方程：光纤光栅光栅方程：光纤光栅光栅方程：其中：其中：光纤光栅与普通衍射光栅的比对光纤光栅与

50、普通衍射光栅的比对光纤光栅基本原理光纤光栅基本原理短周期光纤光栅的衍射短周期光纤光栅的衍射长周期光纤光栅的衍射长周期光纤光栅的衍射光纤光栅制作技术光纤光栅制作技术驻波法写入光纤光栅驻波法写入光纤光栅光纤光栅单棱镜写入法光纤光栅单棱镜写入法分光镜分光镜反射镜反射镜分振幅干涉法写入光纤光栅分振幅干涉法写入光纤光栅晶体分波面干涉晶体分波面干涉法写入光纤光栅法写入光纤光栅光纤光栅制作技术光纤光栅制作技术-1+1相位掩模写入光纤光栅相位掩模写入光纤光栅聚焦光学系统聚焦光学系统UV逐点写入光纤光栅逐点写入光纤光栅光纤弯曲法写入光纤弯曲法写入啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅光纤拉伸法写入光纤拉伸法写入啁啾光纤光栅啁